Indoor positioning pr zise verfahren zur innenraumpositionierung
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GEODÄTISCHES KOLLOQUIUM der TU Darmstadt WS 2009/2010. Indoor Positioning – Präzise Verfahren zur Innenraumpositionierung. Rainer Mautz ETH Zürich Institut für Geodäsie und Photogrammetrie Donnerstag, 10. Dezember 2009 16:15 Uhr Hörsaal L501/427. Einladungsliste.

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Indoor Positioning – Präzise Verfahren zur Innenraumpositionierung

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Presentation Transcript


GEODÄTISCHES KOLLOQUIUM der TU Darmstadt WS 2009/2010

Indoor Positioning – Präzise Verfahren zur Innenraumpositionierung

Rainer Mautz

ETH Zürich

Institut für Geodäsie und Photogrammetrie

Donnerstag, 10. Dezember 2009

16:15 Uhr Hörsaal L501/427


Einladungsliste


Anzahl der Forschungsgruppen / Firmen


InhaltÜbersicht Positionierungssysteme Ausgewählte Systeme: - GNSS in Gebäuden - Pseudoliten- iGPS- Ultraschall- Ultra Wide Band- Optische SystemeZusammenfassung & Ausblick


„Indoor Positioning“ ?Innenraum-- Positionierung- Positionsbestimmung - Navigation  Tracking- Ortung- Lokalisierung


Indoor Positioning – Wozu? - Informationsdienste (Location Based Services)- Tracking von Objekten (Produkte in Industrieanlagen, Facility Managment)- Automatisierung (Robotersteuerung, Umgebungssteuerung)- Sensor Netzwerke - Fußgänger Navigation (Krankenhäuser, Feuerwehr, Sehbehinderte)- Augmented Reality (Einblendung von Zusatzinformationen, Gaming)- Messsystem


Klassifizierung von Positionierungssystemen

  • Messprinzip (Trilateration, Triangulation, Signalstärke)

  • Trägerwelle (Radiofrequenz, Lichtwelle, Ultraschall, Terahertz)

  • Anwendung (Industrie, Messtechnik, Navigation)

  • Marktreife (Entwurf, Entwicklung, Testphase, Produktion)

  • Kosten

  • Benötigte Infrastruktur

  • Reichweite

  • Genauigkeit


Geodätisches GNSS:

Messprinzip: Trägerphasenmessung, differentiell, Trilateration

Aussenraum: global verfügbar (ausser Schluchten…etc)

volle Marktreife

mm – cm Genauigkeit (statisch)

Innenraum: nicht verfügbar

Abschattung

Abschwächung

Reflektion

Beugung

Streuung

Ionosphärenmodell

Troposphärenmodell

?

Mehrwegausbreitung (Multipath)


Signalabschwächung GNSS (L1 = 1575 MHz)

Stone (1997)

Signalstärke in Dezibel Watt von GNSS Satelliten

1000 mal schwächer

100 mal schwächer


Hochsensitive GNSS Empfänger

Anwendung: Überwachung, Notruf-Positionierung, LBS

Marktreife: kommerziell erhältlich

SiRFStar III (> 200.000 Korrelatoren)

Global Locate A-GPS Chip (Assisted-GPS)

Stärken:

keine zusätzliche Infrastruktur in Gebäuden

Lösung für Umgebung von Abschattungen, PKW, Indoorbereich

Schwächen:

Lange Akquisitionszeit

TTFF: 60 s (mit Assistenz 12 s)

Hohe Rechenanforderung

Genauigkeit: 14 m (Evaluierung Thales)

6 m (Laubwald)

  • Wie könnte das Problem behoben werden?

  • Phasenlösung  cm

  • Höhere Signalstärke am Satellit

  • Parallelisierung Rechenprozess

  • Ultra WidebandGNSS Signale


Alternative Positionierungssysteme - Pseudoliten

Terrestrische Pseudo-Satelliten Empfänger:

Corporation mit UNSW in Australien, Canberra

Navindoor (Finnland)

Terralite XPS

Unterstützung von GNSS in „schwieriger“ Umgebung

Picture from Jonas BERTSCH: On-the-fly Ambiguity Resolution for the Locata Positioning System, Master Thesis, ETH Zurich, February 2009.


Pseudoliten: Locata

Anwendung: Tagebau, Maschinenführung, Monitoring, Indoor-Positionierung

2.4 GHz ISM Band, 1 Hz Messfrequenz, Marktreife: in Entwicklung

Stärken:

Statisch: 2 mm, RTK: 1 – 2 cm bei 2.4 m/s

Signalstärke grösser als bei GNSS

GNSS unabhängig: (Indoor dm)

Probleme:

Mehrwegausbreitung

Frequenz-Freigabe

Synchronisation < 30 ps

Lösung Mehrdeutigkeiten

VDOP

Picture from J. Barnes, C. Rizos, M. Kanli, A. Pahwa „A Positioning Technology for Classically Difficult GNSS Environments from Locata“, IEEE Conference, San Diego California, 26 April 2006


iGPS (Metris)

  • Funktionsprinzip:

  • Transmitter senden rotierende Laserebenen

  • Zeitreferenz: Infrarotsignal

  • TDOA  Winkel

  • Rückwertsschnitt

Quelle: Metris

Anwendung: Luftfahrt, Industrievermessung, Robotersteuerung

Arbeitsbereich: 2 – 50 m

Genauigkeit: 0.1 mm

Marktreife: Testphase

Quelle: Metris


iGPS

iGPS Transmitter und Sensor während eines Tests im Tunnel


iGPS

Stärken:

Hohe 3D Genauigkeit (0.1 mm)

Echtzeit, Messrate 40 Hz

Probleme:

Multipath

Einfluss störender Lichtquellen

Aufwand bei Installation

Kosten

Szenario beim Einsatz im Tunnel.

Masterarbeit, ETH Zürich DAVID ULRICH (2008):

Innovative Positionierungssysteme im Untertagebau


Ultraschallsysteme – Crickets (Active Bat, Dolphin)

  • Funktionsprinzip:

  • TOA, TDOA (Ultraschall & RF)

  • Multilateration

Anwendung: Indoornavigation, Computerspiele

Arbeitsbereich: bis 10 m

Genauigkeit: 1 - 2 cm

Marktreife: kommerziell erhältlich

Kosten: niedrig


Ceiling

Beacon

Listener

Floor

Ultraschallsysteme – Crickets

Projekt: Roboter Positionierung

  • Probleme:

  • Temperaturabhängigkeit

  • Reichweite (< 6 m)

  • Installation der Referenz-Sender

  • Multipath

  • Verlässlichkeit

  • Interferenzen mit Geräuschquellen


Ultra Wide Band (UWB)

Frequenzspektrum > 500 MHz oder > 20% Breite der mittleren Frequenz

Freie Lizenz: 3.1 – 10.6 GHz

Vorteile: Robustheit gegenüber Multipath, Durchdringung von Baumaterialien

Methode: Zeitlaufmessung, Trilateration

Arbeitsbereich: raumweit - gebäudeweit

Genauigkeit: LoS cm-Berich, NLoS dm-Bereich

Marktreife: kommerziell erhältlich (Thales, Ubisense, Sapphire)

Anwendungen: Feuerwehr, Krankenhaus, Tracking

Probleme:Ausreisser, Laufzeitverzögerung durch Baumaterial

Bilder aus den Websiten von Thales, Ubisense & Sapphire


Optische Systeme: Sky-Trax System

Prinzip: Positionscodes an Decken installiert, mobile Kamera erkennt Codes

Anwendung: Lagerhallen, Navigation, Logistik

Arbeitsbereich:Hallen, Raumweite

Genauigkeit: 2 - 30 cm („inch“ bis „foot“)

Marktreife: kommerziell erhältlich

Nachteil:Abhängigkeit von

Installationen,

geringe Flexibilität

Picture from: http://www.sky-trax.com/


Optische Systeme: ProCam System (AICON)

Prinzip: Mobiler Messtaster mit infrarot CCD Kamera, Blick auf Messpunktfeld

Anwendung:Crashvermessung, Industrievermessung

Arbeitsbereich: raumweit

Genauigkeit: 0.1 mm + 0.1 mm/m

Marktreife: kommerziell erhältlich

Nachteile:Abhängigkeit von aktivem Messpunktfeld, Kabel

Kosten

Pictures from: http://www.aicon.de


Optische Systeme: CLIPS (Camera & Laser Innenraum PositionierungsSystem)

Funktionsprinzip: Ortsfeste Laserstrahlen, relative Orientierung einer Kamera

Anwendung: Industrievermessung

Arbeitsbereich: raumweit

Genauigkeit: 1 mm

Datenrate:30 Hz

Marktreife: in Entwicklung

Kosten: gering

“Laserigel”


CLIPS

P3

P2

Messprinzip:

P5

P1

P4

Laserigel

(fest)

Basisvektor

Kamera

(mobil)

Taster

(optional)

Objekt


CLIPS – Aufbau

Laserigel

- PVC-Halbkugel

- 16 Laserstrahlen (LK 2) mit gemeinsamen Zentrum

- Ausrichtung der Laserstrahlen durch Kalibrierung bekannt

Basic Stamp

- Steuerung der Laserbeams

Digitalkamera

- AVT Guppy mit Progressive-Scan CCD-Sensor

- Canon Objektiv

- Innere Orientierung (c, xp, yp) durch Kalibrierung bekannt

CLIPS-Steuersoftware

- Steuerung der Kameraparameter

- Bestimmung der relativen Orientierung


CLIPS – Ablauf

Der Laserigel übernimmt

- die Projektion eines Referenzpunktfeldes mittels fokusierter Laserstrahlen auf jede mögliche Oberfläche und

- die Simulation einer zweiten Kamera

Aufnahme der Laserspots durch die Kamera

  • Punkterkennung der Laserspots in den Kamerabildern

    Identifizierung und Herstellung von Punktkorrespondenzen zum virtuellen Bild der simulierten Kamera

    Bestimmung der Relativen Orientierung mit Hilfe der Punktkorrespondenzen und der Epipolargeometrie

    Maßstabsbestimmung


CLIPS – Punkterkennung

RGB-Bild

Rotkanal des Bildes

Umwandlung in Binärbild

Medianfilter & morphologische Operation Schliessen

Regiongrowing & Bestimmung der Regionszentren

Transformation vom Pixelkoordinatensystem ins Bildkoordinatensystem

Laserpunktzentren


  • Punktidentifikation:

  • Farbliche Kodierung

  • Zeitliche Kodierung

  • Punktgruppen

  • Form-Kodierung

  • Erkennung durch Software

Probleme:

Verfügbarkeit farbiger Laser

Zeitkritisch, min. 2 Bilder

Verzerrung durch Oberfläche

Verzerrung, Komplexität

Robustheit, Umsetzbarkeit

t1

t2


CLIPS – Relative Orientierung

  • Bestimmung mittels Koplanaritätsbedingung

  • Angabe der relativen Orientierung:

  • Basisvektor b Orientierungswinkel (ω, φ, κ)

[Luhmann, 2003]


3

3

d)

3

2

3

3

b)

2

f)

CLIPS - Maßstabsbestimmung

2

5

c)

2

2

a)

Maßstab

5

4

1

1

1

1

4

5

5

5

4

4

1

4

3

e)

Distanzmesser

2

Basislinie

1

5

4

Taster

Referenz Objekt


CLIPS – Genauigkeit

Erste Tests: cm  mm

Potential für sub-mm


FazitAussenraum: GNSS dominant Innenraum: keine generelle Lösung, Systemwahl je nach AnforderungBenutzer muss hinnehmen: geringe Genauigkeit geringe Zuverlässigkeit aufwendige lokale Installationen geringe Reichweite unangemessene KostenAusblick Signale durchdringen Wände (ultra-sensitives GNSS) Optische und hybride Verfahren Für sub-dm Genauigkeit bleiben Installationen lokale unvermeidbar


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